Industrie Mag - Le journal de l'industrie.

Josh Leuenberger, IMI Critical EngineeringPour garantir des performances optimales dans les circuits de fluides, il est impératif de tester rigoureusement les vannes de régulation avant l’installation. Cela est encore plus vital dans le secteur de l’énergie nucléaire, où les pannes des systèmes de contrôle des fluides peuvent avoir des conséquences désastreuses.

Parmi les caractéristiques qui définissent les performances d’une vanne de régulation, il est souvent crucial de pouvoir prédire avec précision le coefficient de débit (Cv), c’est-à-dire la mesure relative de la capacité de la vanne à réguler le débit du fluide, qui décrit le rapport entre la baisse de pression dans la vanne et le débit correspondant.

Cela est essentiel pour s’assurer qu’une vanne soit capable de laisser passer des volumes de fluide suffisants à la demande et dans différentes conditions, et ainsi garantir que le circuit de fluides fonctionne comme prévu.

Un récent exemple dans le secteur nucléaire démontre le besoin de réaliser des essais précis pour déterminer le coefficient Cv des vannes de régulation. L’application était une centrale nucléaire américaine équipée de deux réacteurs à eau bouillante, chacun doté d’une capacité de plus d’un gigawatt. Cette centrale faisait l’objet de travaux de modernisation, dans l’objectif d’augmenter sa puissance de 12 % afin de produire davantage d’électricité et ainsi d’améliorer sa rentabilité.

Pour augmenter la capacité de puissance d’une centrale nucléaire, il faut généralement fissionner davantage d’uranium, afin de créer une énergie thermique supérieure, et donc produire davantage d’électricité. Mais cette énergie thermique supérieure provoque une hausse de la température des fluides que la centrale était en l’état incapable de supporter. Il fallait donc mettre au point une méthode pour disposer d’une capacité de refroidissement supplémentaire. Dans cet exemple, les ingénieurs ont trouvé la solution dans le circuit de refroidissement du réacteur à l’arrêt (RRA).

Le circuit RRA existant de la centrale, chargé de l’évacuation de la chaleur de désintégration produite lors de l’arrêt du réacteur afin d’empêcher sa fusion, contient plusieurs pompes qui forcent l’eau provenant de la structure de confinement du réacteur à passer par des échangeurs de chaleur, puis à retourner dans ladite structure, ce qui permet de ramener la température du confinement à un niveau acceptable.

Dans la configuration existante, chaque pompe alimentait seulement un échangeur de chaleur, ce qui signifie que les arrêts ou les pannes de pompe entraînaient forcément la mise hors service d’un échangeur de chaleur. Cette situation était indésirable, le site devant garantir un fonctionnement sûr du réacteur dans différentes hypothèses d’accident, dont l’une était la réduction de l’alimentation électrique, entraînant une baisse du nombre de pompes RRA disponibles. Une méthode permettant de conserver davantage d’échangeurs de chaleur en service même avec moins de pompes était nécessaire pour permettre d’augmenter la capacité de puissance de la centrale.

Le problème a été résolu avec l’introduction d’une traverse RRA, dans laquelle de nouveaux tuyaux et de nouvelles vannes de régulation permettent le raccordement de boucles de débit. De cette manière, si une pompe est indisponible, la traverse peut être ouverte pour alimenter deux échangeurs de chaleur à partir d’une seule pompe, et ainsi préserver la capacité de refroidissement. Toutefois, cette solution comportait plusieurs difficultés en termes de conception au niveau de vannes de régulation, qui devaient équilibrer avec précision le débit des échangeurs de chaleur dans ces nouveaux modes de fonctionnement.

Tout d’abord, comme dans de nombreuses applications de vanne de régulation, les vannes fonctionnent dans une zone d’écoulement cavitant. Cela signifie que l’utilisation d’une vanne standard dotée de seulement un ou deux étages de réduction de pression entraînera une baisse de pression au niveau de la section contractée qui descend en dessous de la pression de vapeur du fluide, ce qui entraîne la formation de bulles de cavitation nocives. Un équipement interne multi-étagé était donc nécessaire.

De plus, le site était équipé de plusieurs caméras immergées, utilisées pour surveiller à distance l’état du réacteur. Les vitesses élevées du fluide des vannes de régulation pouvaient potentiellement perturber l’eau et déformer les images, ce qui signifie qu’il fallait encore plus d’étages au niveau de l’équipement interne pour minimiser la vitesse d’échappement.

Pour une régulation régulière des fluides dans les différents modes de fonctionnement, une course longue de vanne et un profil de rapport Cv/course était requis, comme illustré sur le diagramme. Les vannes sont actionnées à distance par une commande manuelle. Un opérateur surveille les indications du site et ferme et ouvre manuellement les vannes pour équilibrer le débit. Dans les deux zones d’écoulement les plus fréquentes, un mode de « réglage fin » était requis, dans lequel la vanne devait produire un taux de variation du débit par seconde de fonctionnement du moteur, le reste de la courbe Cv devant respecter les conditions de débit minimum et maximum.

Une zone de surcapacité d’urgence a également été créée pour atténuer les effets d’un éventuel accident nucléaire de grande ampleur. Dans ce genre d’accident, une importante quantité de débris est susceptible de pénétrer le flux, et d’obstruer l’équipement interne multi-étagé. Une grande cage à fenêtre a donc été installée sur le dessus de l’équipement interne de vanne pour prévoir une capacité d’écoulement à un seul étage redondante à 100 %, et ainsi disposer d’une capacité de refroidissement d’urgence en cas d’accident grave.

Bien que tous ces critères de conception garantissaient de manière sûre l’essai des vannes, c’est un critère d’écoulement minimum qui a imposé de mettre en oeuvre un programme d’essais personnalisés haute précision. Lorsque la vanne était totalement fermée, elle devait tout de même laisser passer environ 4 000 gallons par minute (GPM) d’eau pour protéger les pompes RRA et empêcher les vibrations dans les tuyaux. La plage d’acceptation était très serrée : de 4 000 à 4 100 GPM seulement. Si l’on considère que 4 000 GPM représentent environ 10 % de la capacité d’écoulement totale de la vanne, la plage d’acceptation serrée de 100 GPM imposait que la capacité d’écoulement de la vanne totalement fermée soit testée avec précision dans une fraction de point de pourcentage.

La norme internationale ISA S75.02 fournit des indications en matière d’essais du coefficient Cv, en précisant les mesures à effectuer (principalement le débit et la pression différentielle), le niveau d’incertitude des instruments requis, les distances minimales pour les canalisations droites, etc. Si ces instructions sont suivies, une mesure avec une précision de 5 % peut être attendue.

Toutefois, dans cette application, 5 % n’était pas assez précis. Une mesure bien plus précise du coefficient Cv était en effet requise pour prouver que la fenêtre d’écoulement minimum compris entre 4 000 et 4 100 GPM était respectée.

La solution est venue d’un laboratoire de recherche de l’eau d’une grande université, doté d’équipements de test spécialisés capables de réaliser des mesures très précises de l’écoulement. Dans la configuration de l’essai, la source d’eau était une rivière endiguée juste en amont du site, comme le montrent ces photos. L’eau a été acheminée à travers le spécimen de test (la vanne de régulation), puis vidée dans un réservoir au poids calibré, permettant d’effectuer des mesures du débit très précises, et donc un calcul tout aussi précis du coefficient Cv.

Un dispositif d’essai a été développé pour exposer uniquement la zone d’écoulement minimum de la pile de disques, qui était équilibrée exactement comme le projet définitif d’équipement interne de vanne afin de pouvoir reproduire facilement l’installation. Ce facteur était essentiel étant donné que l’essai devait être réalisé plusieurs fois sur huit ensembles d’équipement interne.

Avant d’envoyer les vannes au laboratoire, des essais initiaux du coefficient Cv ont été effectués chez le fabricant de la vanne avec de l’air comme élément de test, avec une précision de calcul du coefficient Cv à 5 % près, conformément aux recommandations de l’ISA. À titre de comparaison, l’essai Cv spécialisé du laboratoire de recherche sur l’eau atteignait une précision à 0,2 % près. Néanmoins, il existait une corrélation très nette entre l’essai à l’air et celui à l’eau : les résultats se situaient à 0,8 % d’écart entre eux, et il pouvait être établi qu’il s’agissait d’une incertitude de biais reproductible de 0,8 %, et non une incertitude aléatoire, les résultats de l’air étant systématiquement légèrement supérieurs aux résultats de l’eau, ce qui prouve que les essais à l’air étaient bien plus précis que les 5 % annoncés. Cela souligne aussi le fait que le coefficient Cv est une propriété intrinsèque de la géométrie des vannes, quel que soit le type de fluide régulé.

La vanne conçue pour cette application était très robuste : elle était capable de fonctionner avant, pendant et après un séisme. L’équipement interne de la vanne contient six de zones de régulation de l’écoulement discrètes. En bas, l’élément d’écoulement minimum fournit avec précision l’écoulement de 4 000 GPM lorsqu’il est fermé, avec une pile de disques DRAG® caractérisée pour la zone principale de contrôle de l’écoulement.

La pile de disques DRAG® incorpore une conception d’équipement interne multi-étagé, à chemins d’écoulement multiples, qui applique une méthode de chemin d’écoulement tortueux à l’étagement multiple. Cet élément d’équipement interne comprend une pile de disques métalliques dotés chacun de plusieurs chemins d’écoulement tortueux sculptés à l’intérieur via un processus d’usinage par décharges électrostatiques, la pile entière étant brasée pour former un élément de contrôle solide. Ces piles de disques se distinguent par le fait que chaque disque peut avoir un nombre d’étages différents. Ce procédé permet de caractériser avec précision les inclinaisons sur la courbe du coefficient Cv pour répondre aux besoins de l’application, fournissant ainsi une résistance variable à l’écoulement sur toute la course de la vanne. Pour créer le profil d’écoulement requis pour ce projet, une combinaison de disques à dix, huit et six étages a été utilisée.

Il est normal que de petits écarts dimensionnels liés aux tolérances de fabrication conduisent souvent à ce que des vannes de la même conception aient des capacités d’écoulement variables. Toutefois, les critères d’acceptation stricts de ce projet ne permettaient pas d’écarts de fabrication standard. Un procédé de fabrication en deux étapes a donc été utilisé à la place. Une fois les vannes conçues et fabriquées, leur coefficient Cv initial « intrinsèque » a été mesuré avec précision dans le cadre d’essais réalisés selon la méthode décrite plus haut. Sur la base de ces données de coefficient Cv pour chaque vanne, un espace fut laissé dans le procédé de fabrication pour peaufiner les piles de disques via un processus de recaractérisation. Les vannes furent ensuite renvoyées au laboratoire pour une dernière série d’essais Cv de confirmation afin d’éprouver l’équipement avant son installation dans la centrale nucléaire.

Les résultats des derniers essais sont indiqués dans le diagramme. En haut en bleu sont indiquées les valeurs initiales « intrinsèques », et en rouge en dessous sont indiqués les résultats à la suite de la recaractérisation. Bien qu’il y ait eu auparavant une légère dispersion des données, le problème a été totalement éliminé depuis, et chaque pile répond exactement aux critères imposés. Les répartitions normales représentant les deux jeux de données (bleu avant et rouge après) indiquent à quel point les écarts ont été considérablement réduits. Encore plus important toutefois est la preuve que l’objectif de plage d’acceptation comprise entre 4 000 et 4 100 GPM d’écoulement a été largement atteint.

Une fois ce critère d’écoulement minimum rempli, la dernière étape consistait à éprouver l’ensemble de la courbe du coefficient Cv. La totalité de l’ensemble de vanne définitif, complété par la commande moteur, fut fabriquée et envoyée au laboratoire d’essais de l’eau, où des mesures furent prises à 10 positions de course discrètes, de totalement fermée à totalement ouverte, à environ 12 pouces de course. Au final, une excellente corrélation avec la courbe de conception fut obtenue, comme l’illustre la ligne continue de couleur bleue.

Ce projet a démontré que lorsqu’une résolution de réglage fin est souhaitée, le matériel de vanne en lui-même peut être affiné et caractérisé, plutôt que de devoir se fier à un positionnement numérique ou à une logique de contrôle pour créer la courbe de coefficient Cv souhaitée.

De plus, un procédé de fabrication basé sur des résultats, qui repose sur l’ajout d’une étape d’essais et de réglage fin pour tenir compte des écarts de fabrication et des tolérances, doit être employé pour répondre aux critères très stricts en matière de coefficient Cv. Dans le même temps, le support d’essai, qu’il s’agisse de l’eau, de l’air ou d’un autre liquide, ne constitue pas un facteur dans la précision du calcul du coefficient Cv, comme démontré ici. Par conséquent, même si l’application de vanne concerne l’eau, le test du coefficient Cv à l’air, généralement plus économique, constitue une méthode d’essai parfaitement acceptable, à condition que la précision de l’équipement de test réponde aux besoins de l’application.

Pour plus d’informations, consultez le site http://www.imi-critical.com.